загрузка...
 
ВЛИЯНИЕ НЕСПЕЦИФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ
Повернутись до змісту

ВЛИЯНИЕ НЕСПЕЦИФИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ

Как уже отмечалось (раздел 1.8), конфор- мационное состояние белка очень чувствительно к физическим и физико-химическим условиям среды, - температуре, pH, ионной силе и т.д. Все эти неспецифические факторы так или иначе влияют на пространственную организацию макромолекулы и могут даже способствовать развитию денатурационных процессов. Поэтому для любого белка (в том числе — фермента) существует оптимальный диапазон каждого из перечисленных параметров среды, в рамках которого молекула сохраняет нативность и наилучшим образом выпол-

Рис. 4-5. Типичная кривая зависимости скорости ферментативной реакции (V) от температуры среды.

няет свое функциональное предназначение (для ферментов - функцию катализа).

Влияние температуры на скорость ферментативной реакции характеризуется куполообразным графиком (рис. 4-5). Вершина купола соответствует диапазону температур, оптимальному для данного фермента. У теплокровных животных температурный оптимум большинства ферментов находится в пределах 35-45°С. Для ферментов растений он обычно смещен в зону 25-20°С или даже ниже. Ширина купола бывает разной. Она зависит от устойчивости фермента к тепловой денатурации. При повышении температуры за пределы оптимальной происходит более или менее плавное снижение скорости ферментативной реакции, а в определенной зоне (разной для разных ферментов) наступает полная денатурация белка и, следовательно, необратимая утрата каталитической функции. Снижение температуры от оптимальной до нулевой также сопровождается постепенным замедлением ферментативной реакции, но оно носит обратимый характер: последующее согревание ведет к полному восстановлению свойств фермента. Поэтому все процедуры по выделению и очистке ферментных препаратов проводят обычно на холоду (от 0° до +4°С); это относится и к хранению очищенных белков.

Влияние pH на функционирование ферментов очень значительно. Подкисление или подщелачивание среды усиливает диссоциацию соответственно основных или кислотных групп белковой молекулы, вызывая более или менее значительные изменения ее конформационного состояния. В случае фермента это приводит сначала к плавному, а затем все более резкому уменьшению каталитической эффективности, В некотором диапазоне аблизи оптимума pH эти изменения обратимы. Однако чрезмерные сдвиги pH приводят к необратимой потере активности фермента вследствие его денатурации.

Многие ферменты сильно различаются и по значению оптимума pH, и по характеру рН- зависимости (примеры приведены на рис. 4-6). Очень часто ионизирующиеся группировки входят в состав активного центра фермента, т.е., непосредственно участвуют в акте катализа. Степень их диссоциации гораздо сильнее сказывается на каталитической эффективности.

Относительная скорость реакции. %

Рис. 4-6. Влияние pH среды на скорость ферментативной реакции: 1 - пепсин; 2 - лизоцим; 3 - амилаза слюны;

4 - аргиназа.

чем изменения общего заряда всей белковой молекулы в целом. Поэтому пик оптимума pH у таких ферментов гораздо более узок, чем у остальных.

Ионная сила раствора также небезразлична для функционирования фермента, поскольку уровень концентрации электролитов существенно отражается на слабых взаимодействиях в молекуле белка, - особенно на ионных связях. В целом, зависимость здесь тоже имеет куполообразный характер, подобный показанным на рис. 4-5 и 4-6. Иначе говоря, для каждого фермента есть свой диапазон оптимальных значений ионной силы среды, и по мере удаления от этого оптимума скорость ферментативной реакции все больше уменьшается. В некоторых пределах эти изменения обратимы, но при слишком больших отклонениях могут стать и необратимыми.

Подводя итог, следует отметить, что каждый из ферментов успешно функционирует в довольно узком диапазоне физических и физи- ко-химических параметров среды. Оптимальное их сочетание необходимо для обеспечения такого конформационного состояния нативного белка, которое наиболее благоприятно для проявления его каталитических свойств.

СУБСТРАТНАЯ СПЕЦИФИЧНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ

Каждый фермент способен ускорять химические превращения далеко не любых веществ, а только вполне определенных. Их называют субстратами данного фермента. Избирательность к субстратам может быть очень высокой. Например, упомянутый выше фермент уреаза распознает только одно-единствен- ное вещество — мочевину, катализируя ее расщепление до С02 и аммиака (см. рис. 4-4). Этот фермент совершенно не влияет на превращения каких-либо других веществ, даже если они очень похожи на мочевину. У млекопитающих к числу столь высокоизбирательных ферментов относится аденилатциклаза (см. раздел 2.2.3), для которой АТФ в качестве субстрата не могут заменить даже ближайшие ему по строению нуклеозидгрифосфаты. Такого рода максимально строгая «требовательность» фермента к структуре своего субстрата называется абсолютной субстратной специфичностью. Однако встречается она редко.

Обычно же субстратная специфичность бывает относительной (групповой). Это означает, что фермент способен ускорять однотипную реакцию у группы веществ, сходных по строению. Такой способностью обладают, в частности, пищеварительные ферменты. Например, трипсин катализирует гидролиз пептидных связей, образуемых карбоксильной группой лизина или аргинина с аминогруппой почти любой другой аминокислоты. Более того, он может гидролизовать связи этих карбоксильных групп не только с аминокислотами, но и со многими аминами. Вместе с тем, фермент не способен расщеплять пептидные связи, образованные аминогруппой лизина или аргинина.

Следует отметить, что ферменты с групповой специфичностью все-таки делают определенные различия между своими субстратами. Так, глюкозооксидаза — фермент, содержащийся в некоторых грибках, — оказывает явное предпочтение Б-глюкозе, обеспечивая ее окисление (за счет кислорода) до глюконовой кислоты. Такие же превращения 2-дезокси-Б-глюкозы,

дезокси-6-фтор-0-глюкозы и б-метил-Б-глю- козы этот фермент катализирует со скоростью, соответственно в 4, 33 и 54 раза меньшей. Окисление ряда сходных веществ глюкозооксидаза катализирует в 100-1000 раз медленнее, а многие десятки других исследованных изомеров или аналогов глюкозы совершенно нечувствительны к присутствию этого фермента.

К ферментам с наиболее широкой субстратной специфичностью относятся, например, фосфатазы. Те из них, которые проводят гидролиз эфиров фосфорной кислоты с простыми органическими веществами, как правило, не очень требовательны к структуре спиртовой части субстрата. Их обычно и обозначают такими терминами, как щелочная фосфатаза, кислая фосфатаза, т.е. без указания на предпочтительный субстрат (хотя им и свойственно заметное предпочтение к эфирам некоторых спиртов).

Выделяют также стереохимическую специфичность ферментов. Она проявляется в тех случаях, когда субстрат может существовать в форме разных пространственных изомеров. Как правило, фермент «признает» только один из них. Важно отметить, что стереохимическая избирательность - это не только предельный вариант абсолютной субстратной специфичности. Она типична и для ферментов с групповой специфичностью. В частности, некоторые клетки содержат два разных фермента - оксидазу Ь-аминокислот и оксидазу Р-аминокислот. Каждый из них катализирует окислительное отщепление аминогруппы от почти любой аминокислоты, но только в пределах либо Ь-, либо Б-ряда.

СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ

Если субстратная специфичность разных ферментов варьирует в очень широких пределах, то специфичность действия всегда соблюдается очень строго. Она проявляется в том, что фермент способен ускорять только одну из всех реакций, в которые может вступать его субстрат. Примером такого субстрата является глюкозо-6-фосфат. В одной и той же клетке эта молекула может подвергаться различным преврашениям. И каждое из них требует участия специального фермента. В частности, гидролиз глюкозо-6-фосфата до глюкозы и фосфата осуществляет глюкозо-6-фос- фатаза. Перенос фосфатной группы из 6-го в

е положение реализует совсем другой фермент - фосфоглюкомутаза. Изомеризацию во фруктозо-6-фосфат производит фосфогексои- зомераза. Наконец, окисление альдегидной группы глюкозо-6-фосфата для превращения его в 6-фосфоглюконовую кислоту протекает благодаря глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназе.

Приведенный пример - лишь иллюстрация общей закономерности: разные типы реакций с одним и тем же субстратом катализируют совершенно различные ферменты.



загрузка...