Ферментативный катализ реакций гидролиза

Реакции, протекающие в организмах животных и растений с участием воды, играют важнейшую роль в процессе обмена веществ и служат одним из основных источников "энергии, запасаемой организмом.

Реакции гидролиза катализируются обычно теми металлоферментами, которые содержат ионы Са2+, Mg2+, Zn2+ и Мn2+. Хотя ион Мn2+ легко вступает в окислительно-восстановительные реакции, в ходе гидролитических реакций он, как и все упомянутые ионы, не меняет степени окисления.

Наиболее хорошо изучены строение и биологическая роль двух из металлоферментов, катализирующих гидролитические процессы,— цинксодержащих ферментов карбоангидразы и карбоксилазы. Отме­тим, однако, что только в организме человека содержится несколько десятков цинксодержащих ферментов, различающихся по своему строе­нию и функциям.

Карбоангидраза состоит из больших белковых молекул с молеку­лярной массой 430 000. Каждая из таких макромолекул содержит 260 аминокислотных остатков. Форма молекулы карбоангидразы — эллип­тическая, размеры ее (40x45x55) А3. Эллиптическая молекула карбо­ангидразы имеет полость, причем аминокислоты, составляющие белок апофермента, расположены так, что гидрофобные их части как бы выстилают внутреннюю полость макромолекулы. В одной молекуле фермента содержится только один ион Zn2+, который находится вбли­зи центра полости карбоангидразы. Координационный полиэдр комп­лекса, центральным ионом которого является Zn2+, представляет собой искаженный тетраэдр. Три положения в координационной сфере Zn2+ занимают донорные атомы азота из имидазольных групп аминокисло­ты гистидина:

Четвертое координационное место занято молекулой Н2О или ионом ОН-. Фермент карбоангидраза содержится в красных кровяных тель­цах. Установлено, что карбоангидраза примерно в 106 раз ускоряет реакцию образования бикарбонат-иона и обратную ей реакцию рас­пада НСО3­-:

Рассмотрим предполагаемый «концертный» механизм действия карбоангидразы. Ион Zn2+, входя в состав несимметрично построен­ного координационного соединения (имеющего по этой причине напря­женную структуру), обладает высокой реакционной способностью. Столкновение на активном центре карбоангидразы иона Zn2+, СО2 и иона ОН- в полости карбоангидразы приводит к активации всех участ­вующих в реакции веществ, в результате чего быстро образуется бикарбонат цинка:

Следующий этап процесса состоит в обмене образовавшегося бикарбонат-иона на Н2О или ОН-, т. е. в высвобождении активного центра фермента для последующих актов катализа.

Установлено, что ингибирование реакции синтеза и распада бикарбонат-ионов достигается введением в координационную сферу иона Zn2+ лигандов, образующих более прочную связь с Zn2+, чем с НСО3-,Н2О или ОН-. Такими являются ионы CN-, N3-, S2O42- и др. Так как в некатализируемых условиях (в присутствии CN-, N3- и т. д.) синтез НСО3- и его распад протекают слишком медленно, физиологи­ческие требования не выполняются, нормальное состояние организма нарушается.

Copyright © 2020 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru