Биомолекулы и кинетика ферментов

Каталаза — один из самых быстрых ферментов — расщепляет миллионы молекул пероксида водорода в секунду. Без ферментов многие реакции в клетке шли бы так медленно, что жизнь была бы невозможна. В этом уроке мы сначала разберём «строительный материал» клетки — биомолекулы, а затем кинетику, которая количественно описывает работу ферментов.

Четыре класса биомолекул

Углеводы. В циклической форме глюкоза (C₆H₁₂O₆) существует в виде двух изомеров — α и β, которые различаются направлением OH-группы при первом атоме углерода. Моносахариды соединяются путём конденсации гликозидными связями. Мальтоза = Glc(α1→4)Glc, сахароза = Glc(α1→β2)Fru, лактоза = Gal(β1→4)Glc. Амилоза крахмала — неразветвлённая спираль с α(1→4)-связями, а амилопектин и гликоген имеют ещё и α(1→6)-ветвления (гликоген ветвится сильнее). Целлюлоза — прямые цепи с β(1→4)-связями, которые водородными связями объединяются в прочные волокна.

Липиды. Триглицерид — это глицерин, соединённый сложноэфирными связями с тремя жирными кислотами. Цис-двойные связи ненасыщенных жирных кислот изгибают цепь, молекулы не могут плотно упаковаться, и такие жиры при комнатной температуре жидкие (растительные масла). Липиды дают около 37 кДж/г — более чем вдвое больше, чем углеводы и белки (~17 кДж/г). В фосфолипиде одна жирная кислота заменена гидрофильной фосфатной «головкой»; такие амфифильные молекулы образуют в воде бислой — основу любой мембраны. Стероиды, например холестерин, входят в состав мембран и стероидных гормонов.

Белки. Общая формула аминокислоты — H₂N–CH(R)–COOH; 20 стандартных аминокислот различаются только радикалом R. Первичная структура — последовательность аминокислот. Вторичная структура — α-спираль и β-слой — удерживается водородными связями между группами C=O и N–H основной цепи. Третичная структура возникает за счёт взаимодействий радикалов: гидрофобных взаимодействий, водородных и ионных связей, ковалентных дисульфидных мостиков (S–S). Четвертичная структура — объединение нескольких субъединиц: гемоглобин состоит из 2 α- и 2 β-цепей. В нуклеиновых кислотах нуклеотиды соединены фосфодиэфирными связями в направлении 5′→3′.

Как работают ферменты

Фермент снижает энергию активации реакции, но не меняет её ΔG и положение равновесия: он лишь помогает быстрее его достичь. Субстрат связывается с активным центром фермента. Модель Фишера «ключ — замок» подчёркивает точное соответствие, а более современная модель индуцированного соответствия (Кошланд) показывает, что активный центр меняет форму при связывании субстрата. Многим ферментам нужны кофакторы (Zn²⁺, Mg²⁺) или коферменты, образующиеся из витаминов (NAD⁺, FAD, кофермент A). Большинство ферментов человека лучше всего работают при 37 °C; оптимум pH у пепсина ~2, у трипсина ~8.

Кинетика Михаэлиса–Ментен

Рассмотрим схему E + S ⇌ ES → E + P (константы скорости k₁, k₋₁ и k_cat). Согласно допущению о стационарном состоянии (Бриггс и Холдейн, 1925), концентрация комплекса ES постоянна: k₁[E][S] = (k₋₁ + k_cat)[ES]. Так как свободного фермента [E] = [E]₀ − [ES], получаем [ES] = [E]₀[S] ÷ (Km + [S]), где Km = (k₋₁ + k_cat) ÷ k₁. Поскольку скорость v = k_cat[ES], приходим к уравнению Михаэлиса и Ментен (1913):

Ингибирование ферментов