В. Объясните механизм ускорения реакций при участии фермента.

 

А.

I – сближение, ориентация и увеличение комплементарности между субстратом и активным центром фермента; Большинство ферментов проявляет высокую избирательность в отношении связывания субстратов. В сущности, специфичность каталитического действия ферментов в основном зависит от специфичности процесса связывания. Более того, на этой стадии нередко осуществляется и регуляция ферментативной активности.

II – образование фермент-субстратного комплекса в результате индуцированного напряжения в химических связях субстрата, перераспределение электронной плотности в химических связях субстрата; Субстрат присоединяется к активному центру в нескольких точках, образуя хелатные (клешневидные) комплексы. Присоединение осуществляется связями разного характера, в основном слабыми (водородные, электростатические, гидрофобные, координационные), ковалентные связи встречаются редко. На этой стадии изменение энергии активации незначительно, ориентация субстрата и активного центра способствует их сближению и прохождению реакции.

III - образование новых химических связей в молекулах субстрата, т.е. продуктов реакции, (преобразование первичного комплекса в один или несколько активированных фермент-субстратных комплексов). Эта стадия наиболее медленная и лимитирует скорость всего катализа в целом. Её длительность зависит от энергии активации данной химической реакции. На этой стадии происходит расшатывание связей субстрата, их разрыв или образование новых связей в результате взаимодействия с активными группами фермента. Благодаря образованию активированных переходных комплексов снижается энергия активации реакции. Заключительный этап отделение продуктов (Р) реакции от активного центра и диффузия его в окружающую среду, практически мгновенна. Она определяется скоростью диффузии продуктов реакции в окружающую среду.

Б. Кислотно-основной катализ: радикалы аминокислот активного центра имеют функциональные группы, проявляющие свойства как кислот, так и оснований. Например, радикалы цистеина, тирозина, серина, лизина, глутамата, аспартата в протонированной форме кислоты (доноры протонов), в депротонированной – основания (акцепторы протонов).  Благодаря такому свойству функциональных групп активного центра ферменты становятсяуникальными биологическими катализаторами, в отличие от небиологических катализаторов, способных проявлять либо кислотные, либо основвные свойства. Пример фермента, участвующего в кислотно-основном катализе – алкогольдегидрогеназа печени, которая учавствует в окисление спиртов. Кофакторами в этом случае являются ионы цинка, а в качестве кофермента используется молекула NAD⁺

С2Н5ОН + NAD+ = СН3-СОН =NADH +Н+

Ковалентный катализ основан на атаке нуклеофильных (отрицательно заряженых) или электрофильных (положительно заряженных) групп активного центра фермента молекулами субстрата с формированием ковалентной связи между субстратом и коферментом или функциональной группой аминокислотного остатка активного центра фермента. Примеры: трипсин, химотрипсин (ферменты переваривания белков и пептидов в ЖКТ). На примере химотрипсина можно показать механизм ковалентного катализа. Химотрипсин осуществляет гидролиз пептидных связей при переваривании белков в 12-перстной кишке. Субстратами химотрипсина служат пептиды, содержащие аминокислоты с ароматическими и циклическими гидрофобными радикалами (Фен, Тир, Три), что указывает на участие гидрофобных сил в формировании фермент субстратного комплекса. В следствии нуклеофильной атаки пептидной связи происходит разрыв этой связи с образованием ковалентно-модифицированного серина – ацилхимотрипсина. Другой пептидный фрагмент высвобождается в результате разрыва водородной связи между пептидным фрагментом и Гис57-активного центра химотрипсина. Заключительный этап гидролиза пептидной связи белков – деацилирование химотрипсина в пррисутствии молекулы воды с высвобождением второго фрагмента гидролизируемого белка и исходной формы фермента.

В. Ферменты обеспечивают высокую скорость реакции при оптимальных условиях, существующих в клетке, путем понижения энергии активации. Таким образом, ферменты снижают энергетический барьер, в результате возрастает количество реакционно-способных молекул, и, как следствие, увеличивается скорость реакции.

В основе действия ферментов лежит их способность ускорять реакции за счет уменьшения энергии активации субстрата. Ферменты деформируют электоронные оболочки субстратов, облегчая таким образом взаимодействие между ними. Энергитя, необходимая для того, чтобы привести молекулы в активное состояние, называется энергией активации. Роль обычного катализатора (и еще в большей мере биологического) состоит в том, что он снижает энергию активации субстрата.

38

Сукцинатдегидрогеназа (СДГ) дегидрирует сукцинат, превращая его в фумарат