еской реакции A + B^C+D скорость в прямом направлении пропорциональна концентрациям А и В:

р1 = А1 [А] [В]

а обратном — концентрациям С и D:

о, = К [С] [D]

где ki и кг — константы скорости прямой и обратной реакций. При равновесии ??=?2, следовательно,

А, [А] [В] = k2 [С] [D] или^ = Щщ- = КР

Таким образом, константа равновесия К? представляет собой отношение констант скоростей прямой и обратной реакций. При данной температуре КР постоянна для реакции в присутствии или в отсутствие фермента. Однако фермент сильно влияет на скорость превращения А и В в С и D и на скорость обратной реакции, так что достижение состояния равновесия в присутствии фермента происходит значительно быстрее, чем в его отсутствие.

8.1.3. Ферменты высокоспецифичны в отношении своих субстратов

Некоторые ферменты катализируют превращения только одного субстрата. Так, фумараза катализирует взаимопревращение фумарата и малата:

8. ФЕРМЕНТЫ. 1

24»

ОН

со2-

~о,с—сн2—с—со2-

+ н2о

?

L- малаш

о2с

Фумарат

Ни малеинат, являющийся ^«с-стереоизомером фумарата, ни d-ма-лат не являются субстратами фумаразы. Другие ферменты имеют несколько более широкую субстратную специфичность. Так, например, все протеолитические ферменты, приведенные в табл. 6.3, гидролизуют пептидные связи, однако каждый из них специфичен к аминокислотам с определенными боковыми группами R. Эти ферменты, подобно фумаразе, проявляют высокую стереоспецифич-ность и катализируют гидролиз пептидных связей, образованных только l-(ho не d-) аминокислотами. Ферменты специфичны также в отношении типа катализируемой реакции; так, фумараза катализирует гидратацию или дегидратацию своих субстратов, протеолитические ферменты — гидролитическую реакцию; при этом рассматриваемые ферменты не катализируют другие возможные превращения своих субстратов, например окислительно-восстановительные реакции или реакции декарбоксилирования. Однако о более широкой специфичности свидетельствует, например, способность многих протеолитических ферментов выступать в роли катализаторов гидролиза не только пептидов, но и эфиров и тио-эфиров.

При ферментативных реакциях (в отличие от неферментативных, осуществляемых химиками-органиками) наблюдаются лишь незначительные побочные процессы. Этот аспект эффективности и специфичности ферментов является особенно примечательным, поскольку они функционируют в водной среде, при атмосферном давлении, обычно при температуре около 37 °С и в среде с рН от 2 до 10, т. е. в условиях, при которых химику-органику редко удается осуществить подобные по сложности реакции.

8.1.4. В ходе ферментативного катализа происходит образование промежуточного соединения (комплекса) фермента с его субстратом (или субстратами)

Однозначные данные об образовании в ходе ферментативных реакций фермент-субстратных комплексов явились крупным достижением биохимии. Предположение об образовании таких комплексов высказывалось многими исследователями, однако наиболее четкий и убедительный вывод был сделан в 1890 г. Эмилем Фишером. Результаты его экспериментов с гликозидазами показывали, что эти ферменты являются высокостереоспецифичными в отно-

16—1148

242

II. КАТАЛИЗ

шении своих субстратов. Он предположил, что специфичность обусловлена структурой самих ферментов, поскольку полученные результаты могли быть объяснены только при условии взаимодействия фермента и субстрата.

Широко известно следующее высказывание Э. Фишера: «Поскольку ферменты, по всей вероятности, являются белками... по-видимому, их молекулы также имеют асимметричную структуру; 'при этом асимметрия фермента в целом соответствует таковой у гексоз. Только в том случае, если фермент и атакуемый им субстрат имеют сходную геометрическую форму, обе молекулы могут подойти друг к другу столь близко, чтобы могла произойти химическая реакция. Образно говоря, фермент и глюкоза должны соответствовать друг другу как замок и ключ». Результаты всех последующих исследований согласовывались с представлением об образовании промежуточных фермент-субстратных комплексов при •ферментативном катализе. Такие исследования включали кинетический анализ, химическую модификацию боковых R-групп аминокислотных остатков фермента специфическими реагентами, ин-гибирование ферментов специфическими соединениями (которые Бзаимодействуют с активными центрами), определение характерных спектральных полос поглощения при действии ферментов на их субстраты и кристаллографическое исследование комплексов ферментов с соединениями, сходными по структуре с соответствующими субстратами.

8.1.5. Зона фермента, которая специфически взаимодействует с субстратом, называется активным центром

Конформация фермента такова, что определенные R-группы полипептидной цепи располагаются весьма специфическим образом, формируя активный центр. Пространственная структура активного центра предопределяет не только строение соединения, которое стереохимически комплементарно этому центру, но и природу последующих превращений, приводящих к образованию соответствующего продукта. Связывание субстрата с активным центром осуществляется в результате образования специфических нековалентных связей, включающих гидрофобные и электростатические взаимодействия, а также водородные связи. При контакте с активным центром субстрат оказывается в непосредственной близости от специфических групп фермента, кооперативное действие которых дестабилизирует определенные связи субстрата, превращая его в более реакционноспособное химическое соединение. Во многих случаях имеет место временное образование ковалентной связи между субстратом и ферментом.

8. ФЕРМЕНТЫ. I

243

8.1.6. Ферменты понижают энергию активации химической реакции

Распределение кинетической энергии среди популяции молекул при постоянной температуре представлено на рис. 8.1, а. При температуре Т\ энергия популяции молекул оказывается недостаточной для протекания специфической химической реакции; если, однако, температура повышается до Т2, распределение энергии меняется, как показано на рисунке, и число столкновений между молекулами увеличивается, так что химическая реакция становится осуществимой. Таким образом, увеличение скорости реакции при повышении температуры от ?? до Тг является в основном результатом увеличения числа активированных молекул, т. е. доли молекул, обладающих необходимой энергией активации.

На рис. 8.2 приведена очень упрощенная схема энергетического профиля реакции А^В. В ходе реакции молекулы приобретают энергию, достаточную для активации, и оказываются в переходном состоянии; далее происходит образование продуктов. Энергию, необходимую для достижения переходного (активированного) состояния Еа, принято называть энергией активации. Для любой реально осуществляющейся реакции суммарная энергия исходных веществ должна быть большей, чем для продуктов. Как показано на рис. 8.2, в ходе реакции затраченная энергия активации Еа вновь освобождается, и суммарное изменение энергии в результате реакции равно разности уровней энергии для А и В.

Энергия -»- Энергия

Рис. 8.1. а — распределение кинетической энергии в популяции молекул при температуре ?? и при более высокой температуре Г2. Стрелка показывает минимальную энергию, необходимую для того, чтобы молекула вступила в реакцию; следовательно, реакция не происходит при ??, но осуществляется при Г2. б — кинетическая энергия популяции молекул' субстрата при температуре Т\. Стрелки показывают энергию, необходимую для осуществления реакции в отсутствие и в присутствии фермента. Обратите внимание на то, что в отсутствие фермента реакция не может осуществляться, ио в присутствии фермента может протекать без повышения температуры.

16*

244 ?· КАТАЛИЗ

?·?*

Координата реакции

Рис. 8.2. Профили энергии некатализируемой и катализируемой реакций Ач=^В. В случае некатализируемой реакции молекулы А должны для активирования перейти на более высокий уровень, требуемый для достижения переходного состояния А-В*, в котором могут претерпевать превращение, образуя В. Энергия, необходимая для перевода молекул в активированное состояние, — это энергия активации Еа; она определяется разностью уровней энергии молекул А и активированного состояния А-В*, обозначенной цифрой 1. В катализируемой реакции энергия активации Еа, необходимая для образования активированного комплекса ES и обозначенная цифрой 2, значительно меньше, чем для некатализируемой реакции (обозначена цифрой I). Разница уровней энергии молекул А и В одинакова для катализируемой и некатализируемой реакций.

Ферменты, подобно всем катализаторам, ускоряют химические реакции, снижая энергию активации специфической для данного фермента реакции. На рис. 8.1 б и 8.2 проиллюстрировано понижение энергии активации при ферментативных реакциях; рассмотрены запас энергии популяции молекул и уровни энергии исходных веществ и продуктов. Способы определения энергии активации и влияние температуры на катализируемые ферментами реакции более детально рассмотрены в разд. 8.4.4 и 8.4.5.

?. 1.7. Некоторые ферменты участвуют в регуляции скоростей реакций

Живые организмы обычно не используют изменение температуры для регуляции скоростей метаболических реакций, и большинство из них не способно выживать при высоких температурах. Следовательно, катализируемые реакции должны осуществляться достаточно быстро при температуре жизнедеятельности организма. Более того, если бы важные биологические реакции осуществля-

8. ФЕРМЕНТЫ. I

245

лись без участия катализаторов, то нельзя было бы осуществить регуляцию их скоростей. Если же организм утрачивает контроль над скоростями происходящих в нем химических превращений, то он оказывается неспособным сохранять нормальную структуру и соответствующие функции; в результате наступает гибель организма.

Известны многочисленные регуляторные механизмы метаболизма (гл. 11); некоторые нз них функционируют на уровне собственно ферментов. Вещества, которые либо увеличивают, либо уменьшают скорости катализируемых реакций, действуя непосредственно на фермент, называют эффекторами. Они изменяют струк