Причины высокой каталитической активности ферментов

Причины высокой каталитической активности ферментов [c.187]

Таким образом, ферменты характеризуются признаками как гомогенных, так и гетерогенных катализаторов. Вместе с тем они обладают рядом особых свойств, отличающих их от катализаторов небиологической природы. Главные отличия ферментов состоят в исключительно высокой каталитической активности и ярко выраженной специфичности действия на строго определенные субстраты. Причины этого лежат в особенностях строения и механизма действия ферментов. [c.26]

Второй особенностью ферментативных процессов является чрезвычайно высокая скорость их протекания, т. е. исключительно высокая каталитическая активность ферментов. Считают, что одной из наиболее существенных причин большой скорости ферментативных процессов является то, что ферменты выступают в роли бифункциональных (или полифункциональных) катализаторов, обеспечивающих одновременное протекание процессов, являющихся в иных условиях многостадийными. [c.585]

Мультиплетность (полифункциональность) ферментативного катализа и есть, по-видимому, причина высокой специфичности ферментов. Если для осуществления каталитической реакции обязательным требованием является образование нескольких химических связей между определенными атомами молекулы субстрата и активного центра фермента, то отсюда вытекает требование строгой комплементарности реагирующих молекул. Фермент оказы- [c.29]

В предыдущих разделах были кратко рассмотрены причины значительно более поверхностного описания деталей стереохимии при рентгеноструктурном анализе белков по сравнению с описанием малых низкомолекулярных соединений. Однако для успешного исследования зависимости между структурой и активностью требуется более высокая точность структурных данных. Поскольку мы стремимся к более глубокому пониманию поведения активного центра или функциональных областей этих биологических макромолекул, необходимо повысить разрешающую способность дифракционных методов. Малые изменения конфигурации аминокислотных остатков в области центра связывания металла и изменения стереохимии комплексов металла в ходе каталитического процесса должны быть тщательно изучены, в особенности при исследовании ферментов, требующих участия иона металла. Как указывалось в разд. 1.2.1, описание этих структурных изменений позволяет определить стереохимическую природу электронных перестроек, происходящих при взаимодействии молекул субстрата и фермента и ответственных за каталитическое действие. [c.24]

Время работы с максимальной мощностью - 2-3 мин. Существуют две основные причины такой небольшой величины этого критерия. Во-первых, гликолиз протекает с высокой скоростью, что быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрации гликогена и, следовательно, к последующему снижению скорости его распада. Во-вторых, в процессе гликолиза образуется молочная кислота (лактат), накопление которой приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток. В условиях повышенной кислотности снижается каталитическая активность ферментов, в том числе ферментов гликолиза, что также ведет к уменьшению скорости этого пути ресинтеза АТФ. [c.146]

Каждый из двух указанных путей создания моделей ферментативных систем имеет свои преимущества и недостатки. Путь непосредственного исследования и воспроизведения механизма действия ферментов позволяет воспользоваться результатами длительного совершенствования природных катализаторов и раскрыть причины их высокой активности и специфичности. Однако этот путь сопряжен с большими трудностями по выделению, очистке, идентификации и анализу сложнейших органических молекул, составные части которых находятся в сложной взаимосвязи. Второй путь имеет то преимущество, что при постепенном усложнении простого катализатора можно изучить влияние отдельных факторов на его каталитическую активность. Следуя по этому пути, Николаев [76, 85—931 в своих многочисленных работах, посвященных созданию модельных катализаторов с каталазными и пероксидазными свойствами, пришел к интересным выводам относительно эволюции природных катализаторов этого типа. [c.262]

В настоящее время нет сомнений в том, что ферментативный катализ в принципе во многом подобен обычному, небиологическому катализу. Как в том, так и в другом случае молекулы реагирующих веществ вступают во взаимодействие с катализатором, образуя более реакционноспособные промежуточные соединения, которые после образования конечных продуктов реакции освобождают катализатор для последующих повторяющихся реакционных актов. Таким образом, при исследовании механизма ферментативного катализа, как и катализа вообще, главными проблемами являются химическое строение каталитически активных центров ферментов, химическое строение промежуточных продуктов реакции, механизм их образования и распада, причины высокой реакционной способности промежуточных соединений. [c.6]

Термином структура объединяются не только различные виды органоидов и грубо дисперсные фазы протоплазмы, но и внутренние структуры белковых и других мицелл и разнообразных межмицеллярных соединений, совокупность которых и составляет химическую основу протопласта. Особое значение протоплазменных структур для обмена веществ, для всей сложной организации протоплазмы состоит в том, что они обладают огромной суммарной поверхностью, на которой и развертывается основная деятельность каталитически активных агентов живой клетки. Большая часть этих поверхностей принадлежит мембранам органоидов, эндоплазматической сети и другим компонентам протоплазмы. Мембраны же, как уже указывалось, обладают весьма высокой и притом разнообразной физико-химической активностью, выражающейся, в частности, в способности обратимо связывать различные химические соединения в том числе и ферменты. В связывании различных ферментов мембранами протоплазменных структур и заключена причина того, что именно здесь и сосредоточена основная энзиматическая активность клетки. [c.55]

Мы не нашли в доступной нам литературе аналогичных данных о разделении при УЦ в присутствии субстратов олигомерных белков на каталитически активные и неактивные формы. Возможно, что отсутствие подобных результатов объясняется тем, что при исследовании четвертичной структуры ферментов методом УЦ в условиях протекания ферментативной реакции место локализации фермента в центрифужной пробирке определяли исключительно по активности. По этой причине присутствие неактивной белковой фракции могло остаться просто незамеченным. Между тем нельзя, по-видимому, полностью исключить возможности существования и для -других ферментов каталитически активной и неактивной форм. Высказанное соображение можно проиллюстрировать следующим примером. Из данных литературы известно, что молекулярный вес гомогенного препарата НАД-киназы из печени голубя, определенный методом гель-фильтрации, равен 270 000 [19]. Мы анализировали методом УЦ в присутствии субстратов частично очищенные препараты фермента из печени голубя и не смогли обнаружить каталитически активной формы с таким высоким молекулярным весом. Однако 60% активности [c.157]

Что является причиной высокой каталитической активности, присущей, но-видимому, дву- и нолиядерным комплексам ионов металлов Этот вопрос, имеющий как теоретическую, так и практическую значимость находит сегодня лишь качественный ответ. Любой о. в. процесс является последовательностью (взаимодействий, в результате которой два электрона от субстрата-донора передаются субстрату-акцептору. В присутствии мономерных ионов металлов переменной валентности этот процесс реализуется в простейшем случае двумя элементарными актами переноса электрона с донора на ионы металла и двумя одноэлектрогаными актами переноса с ионов металла на акцептор-субстрат. Объединение двух ионов металлов в пару создает потенциальный двухэлектронный переносчик электронов. Пространственно-временная последовательность из четырех элементарных актов заменяется двумя двухэлектронными актами переноса. Это качественное объяснение согласуется с представлениями Кошланда о природе биокаталитической активности, согласно которым появление в ограниченном объеме пространства активного центра фермента различных функциональных каталитических остатков приводит к резкому росту скорости превращения субстрата по сравнению со случаем его последовательного взаимодействия с монофункциональными катализаторами в объеме раствора. [c.378]

И, наконец, очень большое значение имеет и третье отличие ферментных глобул от модельных систем. Это различный ближний порядок для кислотно-осповных групп в отсутствии и присутствии субстрата. На этом, например, полностью основана высокая каталитическая активность лизоцима (см. гл. VI 2) при практически полной неакТивности аспарагиновой и глутаминовой кислот в растворе. Неполярное окружение Glu 35 в отсутствие субстрата, нарушаемое контактом с полярной превращаемой связью, делает карбоксильную группу Glu 35 эффективным донором протонов в активном центре лизоцима, а по аналогичным причинам Asp 52 одновременно играет роль эффективного акцептора протонов. В модельных системах трудно осуществить избирательное изменение химических свойств идентичных или близких по строению молекул, расположенных в благоприятных для катализа положениях, но в составе ферментных глобул регулируемый ближний порядок позволяет в широких пределах (и в нужную сторону) изменять сродство каталитических групп к электрону, протону или субстрату. Все эти в общем достаточно ясные причины делают кислотно-основные превращения в ферментах значительно более эффективными, чем в растворах. [c.269]

Соединения, которые при добавлении их в реакционную смесь вызывают уменьшение скорости ферментативной реакции, называются ингибиторами. Ингибирование может возникать по многим причинам, и поэтому суш ествует много различных типов ингибиторов. Один из классов ингибиторов, не представляющих, впрочем, особого интереса для ферментативной кинетики (за исключением случаев, когда они выступают как фактор, искажающий результаты эксперимента), это необратимые ингибиторы, или каталитические яды. Ингибиторы этого типа, взаимодействуя с ферментом, снижают его активность до нуля. Многие ферменты отравляются следовыми количествами ионов тяжелых металлов, и поэтому кинетические исследования обычно проводят в присутствии комплексообразующих агентов, например этилендиаминтетраук-сусной кислоты. Это обстоятельство особенно важно учитывать при очистке ферментов в неочищенных препаратах общая концентрация белка довольно высока и многие примеси белкового происхождения связывают почти все присутствующие ионы металлов, однако по мере очистки препарата фермента защитное действие других белков уменьшается и добавление дополнительных связывающих агентов становится необходимым. В некоторых случаях введение необратимых ингибиторов, напротив, может оказаться полезным. Например, отравление ферментов соединениями двухвалентной ртути часто используется для выяснения вопроса о роли сульфгид-рильных групп в активности ферментов. Однако этот аспект применения необратимых ингибиторов носит сугубо качественный характер и не имеет отношения к кинетике. Поэтому каталитические яды в дальнейшем обсуждаться не будут. [c.78]

Активность истинных холинэстераз в отличие от псевдохолинэсте-раз ингибируется высокими концентрациями субстрата (> 10 М). Причиной снижения скорости гидролиза при возрастании содержания субстрата является взаимодействие двух и более молекул ацетилхолина с одной каталитически активной субъединицей ацетилхолинэстеразы, которые мешают друг другу принять правильную ориентацию в активном центре фермента. Возможно также взаимодействие избыточных молекул субстрата с аллостерическими центрами ацетилхолинэстеразы. [c.61]

Если заряженная группа, например карбоксилат-анион, находится в гидрофобной области активного центра фермента и поэтому плохо сольва-тирована, то ее нуклеофильная реакционная способность будет увеличенной. Однако соответственно с этим возрастает также и основность такой группы, поскольку дестабилизация аниона, обусловленная плохой сольватацией, должна способствовать любому процессу, который понижает заряд на анионе. Этот эффект объясняет, по-видимому, высокие значения рК (вплоть до 7 и более) для замаскированных карбоксильных групп в ферментах и других белках [73], и, хотя данный эффект способствует увеличению нуклеофиль-ности этих групп, соотношение нуклеофильностп и основности остается практически неизменным. Следовательно, на основании этого эффекта вряд ли дшжно ожидать больших ускорений, если только нуклеофил не защищен от протонирования под действием растворителя и в то же время сохраняет свободу для атаки субстрата. Это возможно в том случае, когда присоединение субстрата к ферменту вызывает конформационное изменение, в результате которого нуклеофил становится доступным и атакует субстрат в гидрофобной среде. Это может служить еще одним примером, когда силы связывания между ферментом и субстратом используются для продвижения системы вдоль координаты реакции, что облегчает каталитический процесс нри одновременном уменьшении наблюдаемой свободной энергии связывания (более подробно этот вопрос будет рассмотрен в гл. 5 в рамках теории индуцированного напряжения). В общем случае, когда увеличение скорости обусловлено изменением природы растворителя , окружающего субстрат в активном центре фермента, причиной этому всегда должно быть специфическое взаимодействие, использующее энергию связывания фермента с субстратом. Так, скорость реакции двух противоположно заряженных реагентов будет больше в гидрофобной среде активного центра фермента (по сравнению с реакцией в воде), поскольку в неполярном окружении заряженные реагенты дестабилизированы и в тоже время дестабилизация менее зарянч енного переходного состояния будет не столь значительной [схема (46)]. [c.83]

Причина появления однотипного пептапептида в активных центрах многих ферментов кислотно-основного типа пока неясна, однако роль ключевого серинового остатка можно считать выясненной. Он является акцептором для кислотных групп при разрыве гидролизуемой связи. Свойства реактивного серина в активных центрах ферментов существенным образом отличаются от свойств остальных сериновых остатков. Возникающее промежуточное соединение — сложный эфир с участием серина — отличается высокой реакционной способностью и легко расщепляется водой, что очень благоприятно для катализа и совсем не характерно для метиловых или этиловых эфиров соответствующих кислот. Сам каталитический процесс протекает в два этапа, причем молекула воды принимает участие в реакции гидролиза только во второй стадии реакции. [c.160]

Установив, что концентрация субстрата должна быть по возможности не менее чем в 10 раз больше Км, необходимо указать на зависимость /См от других факторов, таких, как pH, ионная сила и температура. Эти параметры влияют также и на каталитическую константу скорости кат V max — АкатХобщаЯ концентрация фермента). Хотя оптимум pH определяют как значение pH (или интервал значений pH), при котором достигается максимальная активность (максимальная величина Vmax), снижение активности при изменении pH может быть обусловлено резким возрастанием величины Л ы (и, следовательно, снижением степени насыщения фермента субстратом), а не уменьшением l max. Некоторые ферменты при измерении их активности в присутствии высоких концентраций субстрата имеют оптимум pH, сильно отличающийся от физиологического. Например, щелочные фосфатазы, как показывает их название, проявляют максимальную активность в щелочной области pH (10— М), хотя в условиях in vivo они функционируют при pH около 7. Причина заключается в том, что в физиологическом отношении величина Км гораздо важнее, чем величина Ута в клетке субстраты присутствуют всегда в очень низких концентрациях. Поэтому в данном случае значение Км при pH 7 намного меньше, чем при pH 10. [c.284]