Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 17. Ферменти та біохімічні перетворення

Ферменти прискорюють хімічні реакції в організмах

Розглянемо приклад простої реакції. Коли СO2 розчиняється у воді, він взаємодіє з її молекулами, утворюючи карбонатну кислоту, яка дисоціює на гідрогенкарбонат-аніон і йон Гідрогену:

Одна молекула ферменту карбоангідрази може здійснити цю реакцію мільйон разів за секунду, що пришвидшує її в 107 разів! Цей фермент уможливлює процес розчинення вуглекислого газу в капілярах легень. Таке «сприяння» проходженню хімічної реакції має назву каталіз1, а задіяні в ньому білки називають ферментами, або ензимами.

Для будь-якої хімічної реакції перехід від стану А (вихідна речовина, або субстрат) у стан Б (кінцева речовина, або продукт) не є прямим. Він опосередковується перехідним станом, який є нестабільним (на прикладі нашої реакції — це стан Н2СO3). Формування перехідного стану потребує витрат енергії ззовні, що призводить до виникнення енергетичного бар’єру (рис. 17.1).

1 Від грец. katalesis — розчинення.

Рис. 17.1. Принцип сифону — алегорична ілюстрація перехідного стану

Щоб змусити воду перетекти з верхньої склянки (стан А) у нижню склянку (стан Б), вода має спочатку подолати енергетичний бар’єр, створений силою гравітації. Для його подолання потрібно перекачати першу порцію води, а далі вона самостійно перетече в нижню склянку.

Ферменти сприяють формуванню перехідного стану молекули, а це веде до значного зростання швидкості реакції. Однак зауважимо, що ферменти не здатні змінити хід реакції, вони лише прискорюють її.

Завдяки ферменту зменшується енергетичний бар’єр хімічної реакції

Вам уже відомо, що наявність у білків третинної структури, надає їм можливість формувати активний центр. Саме він є «серцем» ферментативного каталізу. Ферменти насправді не долають, а зменшують енергетичний бар’єр реакції. Часто це досягається завдяки специфічному розташуванню субстратів реакції один відносно одного в активному центрі ензиму. Річ у тім, що для проходження реакції в розчині, під дією лише дифузії, субстрати мають зіштовхнутися один з одним у правильній просторовій орієнтації, що є малоймовірним. Фермент розташовує субстрати одразу в сприятливій позиції, що дозволяє зменшити енергетичний бар’єр реакції (рис. 17.2).

Але каталіз не завжди відбувається лише завдяки правильному взаємному розташуванню субстратів. Досить часто в каталізі реакції беруть участь амінокислотні залишки активного центру ферменту. Так працюють, наприклад, ферменти, що розщеплюють інші білки — протеази.

Рис. 17.2. Модель структури активного центру дигідрофолатредуктази

А. Дигідрофолат редуктаза каталізує перенесення двох атомів Гідрогену з НАДФ • Н на дигідрофолієву кислоту (ДГФ), перетворюючи останню на вітамін B9. На рисунку зображено ділянку активного центру зі зв’язаною молекулою ДГФ. Б. Той самий активний центр, вигляд зліва. Видно взаємне розташування ДГФ (правий кут) і НАДФ • Н (лівий кут) у просторі. Саме таке розташування сприяє перенесенню атомів Гідрогену на ДГФ.

Специфічність — одна з основних властивостей ферментів

Одна з найважливіших властивостей ферментів — специфічність. Ензими можуть бути абсолютно або групосецифічні (рис. 17.3). Абсолютно специфічні ферменти каталізують реакції з конкретними молекулами. Наприклад, лактаза здатна розщеплювати лише молочний цукор — лактозу. Групо специфічні ж діють на групу речовин, які мають однаковий елемент будови. Так фермент шлунка пепсин розщеплює будь-які білки, але здебільшого у місці розташування гідрофобних амінокислот, демонструючи групову специфічність.

Рис. 17.3. Специфічність ферментів

А. Абсолютно специфічні ферменти діють лише на один субстрат. Б. Групоспецифічні ферменти каталізують одну й ту ж саму реакцію з подібними субстратами.

Активність ферментів залежить від факторів навколишнього середовища

Ферменти є дуже чутливими до факторів навколишнього середовища: температури, pH, солоності тощо. Вихід за межі оптимальних параметрів призводить до порушення функціонування ферменту внаслідок денатурації — втрати правильної тривимірної структури. Якщо умови середовища повертаються до оптимальних, фермент може ренатурувати, тобто відновити правильну тривимірну структуру і повернутися до функціонального стану. Так, pH впливає на заряди молекул (рис. 17.4, А), що може порушити структуру білка, якщо вона підтримується електростатичними взаємодіями між зарядженими групами амінокислот. Зростання температури збільшує внутрішню енергію атомів. Тож коли ця енергія перевищує енергію зв’язків, що формують тривимірну структуру, остання може зруйнуватися (рис. 17.4, Б). Нони солей можуть конкурувати із зарядженими амінокислотами у процесі взаємодії, тим самим руйнуючи білкову структуру (рис. 17.4, В). Якщо ви хочете побачити денатурацію на власні очі, засмажте або зваріть куряче яйце. Це приклад незворотньої денатурації, бо, як ви знаєте, яйце вже не можна «розсмажити».

Рис. 17.4. Залежність активності ферментів від умов середовища

А. Для пепсину шлунка, що працює в кислому середовищі, оптимальним є кислий pH (ліворуч), тоді як глюкозо-6-фосфатаза, яка працює в цитоплазмі, найкраще, якщо pH близький до нейтрального (праворуч). Б. Активність ферментів залежить від температури. Для ферментів холодостійких організмів (наприклад, арктичних креветок) оптимальними є низькі температури (синя крива), натомість для ферментів бактерій, що живуть у киплячих підводних джерелах, оптимальними є більш високі температури (зелена крива). Залежність активності ферментів людського організму від температури нагадує червону криву. В. На прикладі аспарагінази можна побачити залежність активності ферменту від солоності розчину.

Активність ферментів має чутливі механізми регуляції

У клітині відбуваються тисячі хімічних реакцій і перетворень, але часто вони потрібні лише на короткий час, за конкретних обставин або в окремих частинах клітини (компартментах). Наприклад, фермент Аврора-Бі-кіназа потрібний для розходження хромосом під час мітозу. Цей процес у клітинах людини триває приблизно 4 % часу від часу всього клітинного циклу, а решта 96 % часу вона неактивна або взагалі не транскрибується. Тобто одна з ключових властивостей ферментів — чітка регуляція їх активності.

Вона досягається завдяки дії різноманітних регуляторних молекул. ЦІ молекули можуть тимчасово зв’язуватися слабкими зв’язками з ферментами, тоді їх називають алостеричними1 регуляторами, а таку регуляцію алостеричною. А можуть і ковалентно з’єднуватися з ферментами, але це не означає, що такий акт регуляції є незворотним. Такі регульовані ферменти мають додатковий центр, що специфічно зв’язує регулятор. Регуляція здійснюється завдяки тому, що регуляторна молекула змушує білок змінити його просторову будову, що може активувати або, навпаки, інгібувати його активність (рис. 17.5). Такі молекули називають відповідно активаторами та інгібіторами. Часто ферменти можуть алостерично регулюватися субстратами та продуктами власних реакцій, що надає «автоматизму» регуляції їх активності. Так, глікогенсинтаза, що з’єднує молекули глюкози під час синтезу глікогену, активується власним субстратом — глюкозо-6-фосфатом. Тобто, якщо в цитоплазмі є багато глюкози, глікогенсинтаза «автоматично» активується, щоб «законсервувати» глюкозу у вигляді глікогену як джерело енергії на майбутнє.

1 Від грец. alios — інший і stereos — твердий, міцний.

Рис. 17.5. Алостерична регуляція гемоглобіну

Гемоглобін має четвертинну структуру: він містить дві α- й дві β-субодиниці, кожна з яких може зв’язати одну молекулу кисню (блакитні кульки). Зв’язування молекули кисню однією із субодиниць спричиняє зм і ну просторової структури інших субодиниць, що полегшує зв’язування кисню ними. Тобто кисень є алостеричним регулятором гемоглобіну.

Однак найчастіше активність білків регулюється ковалентним приєднанням груп атомів, наприклад, фосфорилюванням — приєднанням фосфатної групи. Якщо рівень глюкози в крові зависокий, підшлункова залоза починає виділяти гормон інсулін, що призводить до активації чотирьох незалежних кіназ, що фосфорилюють глікогенсинтазу в різних позиціях, надійно і швидко вимикаючи її.

Рис. 17.6. Механізм м’язового скорочення

А. «Крокування» міозину. Міозин має дві голівки (рожева та помаранчева), що зв’язуються з актином у трьохфазному циклі, забезпечуючи скорочення м’язів. Рух міозину чимось нагадує людську ходьбу. Використовуючи енергію АТФ, голівка (помаранчева) робить крок (1—>2), при цьому вона розщеплює аденозинтрифосфат (АТФ) до аденозиндифосфату (АДФ) і вільного ортофосфату. Коли ортофосфат вивільнюяться, голівка може зв’язатися з актином (2—>3). Після цього АДФ із другої голівки (рожевої) відщеплюється від міозину (3—>1), звільняючи місце для нової молекули АТФ і початку нового кроку, у якому голівки поміняються ролями. Б. Схема актоміозинового комплексу м’язів. Волокна міозину (рожеві) мають багато голівок з кожного боку, які «ходять» уздовж волокон актину (синій), призводячи до скорочення всього м’язу.

Молекулярні мотори — ферменти, які рухають

Одним із найкращих прикладів алостеричного регулювання є молекулярні мотори — білки, що переводять енергію хімічних зв’язків АТФ у механічну роботу.

Фази їхнього руху (тобто їхні специфічні просторові структури) контролюються зв’язуванням молекул АТФ, йонів Кальцію тощо. У клітині ці молекули відповідають за різноманітні рухи.

Багато молекул і органел мають специфічне розташування в клітині: сотні білків, молекул РНК, мітохондрій транспортуються у відростки нейронів; везикули (мембранні пухирці) постійно рухаються від ендоплазматичної сітки до апарату Гольджі і назад. ЦІ рухи забезпечуються моторними білками: кінезинами і динеїнами, що рухаються вздовж білкових мікротрубочок, наче по рейках. Міозини рухаються вздовж ниток актину що уможливлює скорочення наших м’язів (рис. 17.6). До речі, окрім алостеричної регуляції за допомогою АТФ, міозини м’язів можуть також фосфорилюватися для активації.

Цікаве життя

Як бактерії використовують електричні мотори

Що таке електричний струм? У найпростішому випадку — це потік електронів провідником із зони з більшим потенціалом до зони з меншим. У типовому електричному моторі електричний струм створює магнітне поле, яке змушує обертатися магніти, прикріплені до ротора — центрального елемента мотора, що обертається всередині нерухомого статора (рис. А).

Бактерії теж мають мотори, що обертають їхні джгутики. Мотор джгутика, аналогічно електричному, має статор і ротор (рис. Б). Статор зафіксований у клітинній стінці бактерії, тоді як ротор проходить крізь нього і обертає нитку джгутика.

Де ж тут заховалася електрика? Річ у тому, що бактерії мають дві цитоплазматичні мембрани, у простір між якими вони закачують йони Гідрогену (Н+). Оскільки в цитоплазмі концентрація йонів Н+ набагато менша ніж у міжмембранному просторі, виникає різниця потенціалів.

Ротор пропускає протони зарядженими каналами, при цьому обертаючись разом із ниткою джгутика. Фактично мотор джгутика — це електричний двигун, що працює на водні!

Хоч ці мотори зовсім маленькі (≈200 А, що дорівнює 2•10-7 мм), вони можуть обертатися зі швидкістю 10—17 тисяч обертів на хвилину (для порівняння: двигун нових моделей Боїнга 747 робить 3—11 тисячі обертів за хвилину).

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Увідповідніть термін з його визначенням.

1. полегшення протікання реакції

2. заглибина в молекулі ферменту, що створює сприятливі умови для каталізу

3. пригнічення протікання реакції

4. енергія, яку потрібно отримати, щоб подолати перехідний стан

А енергетичний бар’єр

Б алостерична регуляція

В активний центр

Г інгібування

Д каталіз

• 2. Розташуйте події ферментативного каталізу в логічній послідовності.

А приєднання субстрату до ферменту

Б відщеплення продукту від ферменту

В відновлення вихідної структури ферменту

Г зміна структури субстрату

Д перетворення проміжного продукту на кінцевий продукт

• 3. Як ферменти можуть впливати на реакцію?

А змінювати напрямок протікання реакції

Б пришвидшувати протікання реакції

В змінювати продукт реакції

Г уповільнювати протікання реакції

Д утворювати нові субстрати

• 4. З-поміж наведених механізмів регуляції активності ферментів алостеричним є

А фосфорилювання глікогенсинтази

Б розщеплення молекули ферменту на дві частини

В фосфорилювання міозину

Г зв’язування глюкозо-6-фосфату глікогенсинтазою

• 5. Увідповідніть фактори середовища з тим, як вони впливають на просторову структуру білків.

1. температура

2. солоність розчину

3. рівень pH

4. радіохвиля

А впливає на заряди молекул

Б жодного впливу

В змінює внутрішню енергію атомів

Г впливає на взаємодії між зарядженими амінокислотами

Д спричиняє ядерний розпад

У житті все просто

• 6. Проаналізуйте графіки наведені на рисунку 17.4. Як залежить активність ферментів від умов середовища? Чому графіки мають подібну форму?

• 7. Наведіть приклад ферментів з різною специфічністю. Які реакції вони каталізують?

• 8. Назви ферментів включають назву субстрату, назву реакції і закінчуються на -аза. Так, наприклад, фермент алкогольдегідрогеназа відщеплює (-де-) атоми Гідрогену від молекул спирту (алкоголь). У такий спосіб ми можемо називати будь-які предмети. Молоток — стінацвяхзабиваза, олівець — папірмалюваза тощо. Спробуйте поназивати речі навколо вас як називають ферменти.

У житті все не так просто

• 9. Як ви гадаєте, чому яйце після варіння не можна повернути до вихідного стану?

• 10. Уявіть, що ви працюєте в науковому відділі фармацевтичної компанії та хочете розробити інгібітор ферменту X, який спричиняє рак. Якими можуть бути механізми дії вашого інгібітору? Що він міг би робити в активному центрі ферменту X?